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Die Erfindung betrifft eine (hochintegrierte) Invertervorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine, d.h. zur Ansteuerung und Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als ein rein elektrisch oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug umgesetzt.
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Eine prinzipielle Anforderung besteht bei gattungsgemäßen Invertervorrichtungen darin, einen möglichst geringen elektrischen Widerstand zu erreichen, welcher insbesondere durch vorhandene Verbindungsstellen / Kontaktstellen zwischen separat ausgebildeten Leitern erhöht wird. Zugleich soll die Invertervorrichtung weiterhin in möglichst wenigen Schritten herstellbar und montierbar sein.
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Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Invertervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen Aufbau aufweist und zugleich einen möglichst großen Wirkungsgrad aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine Invertervorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges beansprucht, welche Invertervorrichtung eine eine erste Leiterstruktur aufweisende DC-Eingangseinheit, eine eine zweite Leiterstruktur aufweisende AC-Ausgangseinheit und eine zwischen der DC-Eingangseinheit und der AC-Ausgangseinheit eingesetzte, an die beiden Leiterstrukturen elektrisch angeschlossene Leistungshalbleitereinrichtung aufweist. Die beiden Leiterstrukturen sind ferner als separat ausgeformte (insbesondere beabstandet zueinander angeordnete), laminierte Sammelschiene ausgebildet oder als separat ausgeformte (insbesondere beabstandet zueinander angeordnete) Stromleiter einer Hochstromleiterplatte ausgebildet. Unter einer laminierten Sammelschiene ist eine Leiterstruktur zu verstehen, die mehrere voneinander isolierte Lagen / Schichten aufweist, die jeweils einen voneinander separaten Pol bilden und miteinander zu einem Verbund gefügt sind.
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Damit wird eine Invertervorrichtung zur Verfügung gestellt, die effizient herstellbar ist und in möglichst wenigen Arbeitsschritten montierbar ist. Zudem werden die elektrischen Widerstände deutlich reduziert.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn die erste Leiterstruktur und/oder die zweite Leiterstruktur mittels einer thermischen Schicht an einem (vorzugsweise aktiv oder passiv gekühlten) Gehäuse anliegen. Dadurch kommt es zu einer geschickten Abfuhr überschüssiger Wärme im Betrieb der Invertervorrichtung, sodass der Wirkungsgrad weiter erhöht wird.
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Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die thermische Schicht durch eine thermisch leitende (vorzugsweise jedoch elektrisch isolierende) Folie oder eine thermisch leitende (vorzugsweise jedoch elektrisch isolierende) Vergussmasse gebildet ist. Dadurch ist die thermische Schicht einfach anbringbar.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die DC-Eingangseinheit einen (ersten) Stromsensor aufweist, der in die erste Leiterstruktur integriert ist. Der erste Stromsensor ist vorzugsweise unmittelbar auf einer Oberfläche der (üblicherweise aus einem Kupfermaterial bestehenden) ersten Leiterstruktur aufgebracht, etwa aufgeklebt. Weiter bevorzugt ist ein den ersten Stromsensor einhausendes (erstes) Sensorgehäuse ebenfalls mit dem Gehäuse der Invertervorrichtung in Anlage und somit, etwa unter Zwischenschaltung einer thermischen Schicht, thermisch gekoppelt.
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Somit ist es ebenfalls zweckmäßig, wenn die AC-Ausgangseinheit einen (zweiten) Stromsensor aufweist, der in die zweite Leiterstruktur integriert ist. Der zweite Stromsensor ist vorzugsweise unmittelbar auf einer Oberfläche der (üblicherweise aus einem Kupfermaterial bestehenden) zweiten Leiterstruktur aufgebracht, etwa aufgeklebt. Weiter bevorzugt ist ein den zweiten Stromsensor einhausendes (zweites) Sensorgehäuse ebenfalls mit dem Gehäuse der Invertervorrichtung in Anlage und somit, etwa unter Zwischenschaltung einer thermischen Schicht, thermisch gekoppelt.
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Von Vorteil ist es zudem, wenn die DC-Eingangseinheit eine EMV-Filtereinrichtung aufweist. Jene EMV-Filtereinrichtung ist auf typische Weise mit einem magnetischen Kern, der um die erste Leiterstruktur herum verläuft, und/oder mit einem Kondensator ausgestattet. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Invertervorrichtung weiter gesteigert.
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Weist die DC-Eingangseinheit eine Kondensatorenanordnung auf, wobei Kondensatoren der Kondensatorenanordnung weiter bevorzugt mit der ersten Leiterstruktur direkt elektrisch verbunden sind, ist die erste Leiterstruktur direkt mit der Kondensatorenanordnung gekoppelt, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert wird.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die AC-Ausgangseinheit eine Ausgangsfiltereinrichtung aufweist. Die Ausgangsfiltereinrichtung weist auf typische Weise einen magnetischen Kern, der um die zweite Leiterstruktur herum verläuft, und/oder einen Kondensator auf. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Invertervorrichtung ebenfalls gesteigert.
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Für einen effizienten Betrieb ist es auch von Vorteil, wenn ein erster Hochstromkontakt der Leistungshalbleitereinrichtung mit der DC-Eingangseinheit und/oder ein zweiter Hochstromkontakt der Leistungshalbleitereinrichtung mit der AC-Ausgangseinheit verbunden ist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit erfindungsgemäß ein hochintegrierter Inverter (Invertervorrichtung) auf Basis eines laminierten Busbar (Sammelschiene / Stromsammelschiene) oder einer Hochstromleiterplatte ausgebildet. Der Inverter wird aufgeteilt in einen DC-Bereich (DC-Eingangseinheit), in ein Leistungsmodul (Leistungshalbleitermodul / Leistungshalbleitereinrichtung) und einen AC-Bereich (AC-Ausgangseinheit). Die einzelnen Komponenten in den DC- und AC-Bereichen sind zu einer größeren Komponente mit mehreren Funktionen kombiniert. Diese Komponenten können auf Grundlage des laminierten Busbar oder der Hochstromleiterplatte ausgeführt sein. Der laminierte Busbar oder die Hochstromleiterplatte ist thermisch an die Oberfläche des Invertergehäuses (Gehäuse), unter Verwendung eines thermischen leitfähigen Isolierfilms / Isolierbandes oder einer thermisch leitfähigen Vergussmasse, angebunden. Stromsensoren sind ebenfalls in dem laminierten Busbar oder der Hochstromleiterplatte integriert.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele veranschaulicht sind.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Invertervorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die einzelnen Komponenten der Invertervorrichtung gut zu erkennen sind,
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Invertervorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei eine Leistungshalbleitereinrichtung nun mit einer Platine mit Hochstromkontakten ausgestattet ist, sowie
- 3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Invertervorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die Komponenten der Invertervorrichtung nun gesamtheitlich auf einer Hochstromleiterplatte angebracht sind.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit 1 ist eine erfindungsgemäße Invertervorrichtung 1 eines ersten Ausführungsbeispiels übersichtlich zu erkennen. Die Invertervorrichtung 1 ist als ein Modul ausgeführt, das weiter bevorzugt Bestandteil einer Leistungselektronik einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges ist. Die Invertervorrichtung 1 dient folglich dem Ansteuern / Versorgen der elektrischen Antriebsmaschine im Betrieb.
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Die Invertervorrichtung 1 weist eine DC-Eingangseinheit 3 sowie eine AC-Ausgangseinheit 5 und ein zwischen der DC-Eingangseinheit 3 und der AC-Ausgangseinheit 5 angeordnetes Leistungshalbleitermodul als Leistungshalbleitereinrichtung 6 auf. Die Leistungshalbleitereinrichtung 6 dient auf typische Weise zum Wandeln eines über die DC-Eingangseinheit 3 zugeführten Wechselstroms in einen durch die AC-Ausgangseinheit 5 übertragenen Gleichstrom bzw. umgekehrt.
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Hinsichtlich des Aufbaus der DC-Eingangseinheit 3 ist zu erkennen, dass diese eine durchgängig verlaufende erste Leiterstruktur 2 aufweist. Die erste Leiterstruktur 2 weist auf übliche Weise mehrere Pole auf, die durch voreinander elektrisch getrennte / isolierte Lagen 18 gebildet sind. Insbesondere ist die erste Leiterstruktur 2 in diesem ersten Ausführungsbeispiel als eine laminierte (erste) Sammelschiene 7a realisiert. Die Lagen 18 sind damit sandwichartig übereinander angeordnet und etwa stoffschlüssig, bspw. mittels Kleber, miteinander gefügt / verbunden.
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Die DC-Eingangseinheit 3 weist ferner eine EMV-Filtereinrichtung 13 auf. Die EMV-Filtereinrichtung 13 weist einen (ersten) magnetischen Kern 19 auf, der sich um die Lagen 18 der ersten Leiterstruktur 2 / die erste Leiterstruktur 2 herum erstreckt. Der erste Kern 19 ist zumindest teilweise in einem zentralen Gehäuse 22 (Invertergehäuse) der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / integriert. Auch weist die EMV-Filtereinrichtung 13 einen (ersten) Kondensator 20 auf, der auf der ersten Leiterstruktur 2 angeordnet ist.
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Die DC-Eingangseinheit 3 weist auch einen (ersten) Stromsensor 11 auf, der ebenfalls auf der ersten Leiterstruktur 2 angebracht ist. Der in 1 zu erkennende erste Stromsensor 11 ist beispielsweise unmittelbar auf einer Kupferoberfläche einer Lage 18 der ersten Leiterstruktur 2 angebracht, bevorzugt aufgeklebt. Ein den ersten Stromsensor 11 umhausendes (erstes) Sensorgehäuse 21 ist zudem an dem zentralen Gehäuse 22 der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / teilweise integriert und thermisch angebunden.
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Die DC-Eingangseinheit 3 weist außerdem eine mit der ersten Leiterstruktur 2 verbundene Kondensatorenanordnung 14, die einen so genannten DC-Link ausbildet, auf. Zu einer der EMV-Filtereinrichtung 13 und dem ersten Stromsensor 11 abgewandten Seite der Kondensatorenanordnung 14 ist die erste Leiterstruktur 2 an die Leistungshalbleitereinrichtung 6 angebunden. Dabei sind die Lagen 18 / Pole der ersten Leiterstruktur 2 elektrisch mit Kontakten der Leistungshalbleitereinrichtung 6 verbunden.
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Ausgangsseitig ist die Leistungshalbleitereinrichtung 6 wiederum mit der AC-Ausgangseinheit 5, nämlich einer zweiten Leiterstruktur 4, die der AC-Ausgangseinheit 5 zugeordnet ist, verbunden.
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Hinsichtlich der zweiten Leiterstruktur 4 ist ersichtlich, dass diese in dieser Ausführung ebenfalls als eine laminierte (zweite) Sammelschiene 7b ausgebildet ist. In 1 ist diesbezüglich insbesondere eine Lage 18 mit einer darauf angebrachten Isolierung zu erkennen.
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Ferner weist die AC-Ausgangseinheit 5 einen zweiten Stromsensor 12 auf, der auf einer Kupferoberfläche der zweiten Leiterstruktur 4 aufgebracht (vorzugsweise aufgeklebt) ist. Ein weiteres (zweites) Sensorgehäuse 23 umhaust den zweiten Stromsensor 12. Auch dieses zweite Sensorgehäuse 23 ist an dem Gehäuse 22 der Invertervorrichtung 1 aufgenommen / teilweise integriert und thermisch angebunden.
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Ferner ist eine Ausgangsfiltereinrichtung 15 vorhanden, die einen (zweiten) magnetischen Kern 24 und einen (zweiten) Kondensator 25 aufweist.
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Außerdem ist zu erkennen, dass sowohl die erste Leiterstruktur 2 als auch die zweite Leiterstruktur 4 jeweils mittels thermischen Schichten 10 thermisch mit dem Gehäuse 22 verbunden sind. Die jeweilige Schicht 10 ist beispielsweise als Isolierband oder als Vergussmasse, die thermisch leitend ausgeführt ist, ausgebildet. Die jeweilige Schicht 10 kontaktiert somit die erste Leiterstruktur 2 oder die zweite Leiterstruktur 4 großflächig und koppelt diese thermisch mit dem Gehäuse 22.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Leistungshalbleitereinrichtung 6 eine Kühlplatte 26 aufweist, die im Betrieb unmittelbar von einem durch das Gehäuse 22 geleitetes Kühlmedium durchströmt / angeströmt wird.
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Zumindest ein weiterer Kühlkanal 27 ist zur passiven Kühlung der Leiterstrukturen 2, 4 in dem Gehäuse 22 ausgebildet und verläuft vorzugsweise zumindest teilweise parallel zu den Leiterstrukturen 2, 4.
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Mit 2 ist eine Invertervorrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, deren wesentlicher Aufbau sich mit dem des ersten Ausführungsbeispiels deckt. Insbesondere in Bezug auf die Leistungshalbleitereinrichtung 6 ist die Invertervorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels unterschiedlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel realisiert. Die Leistungshalbleitereinrichtung 6 weist nun eine Platine 28 auf, in der elektronische Bestandteile 29, wie Halbleiter, integriert sind. Auch sind Hochstromkontakte 16, 17 an der Leistungshalbleitereinrichtung 6 ausgebildet, die wiederum jeweils mit der ersten oder zweiten Leiterstruktur 2, 4 verbunden sind.
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In Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel der 3 ist auch zu erkennen, dass statt der separaten Leiterstrukturen 2, 4 in Form von separaten Sammelschienen 7a, 7b, diese alternativ als Stromleiter 8a, 8b, die in einer Hochstromleiterplatte 9 integriert sind, ausgebildet sein können. Ein die erste Leiterstruktur 2 bildender erster Stromleiter 8a ist dann bevorzugt wiederum derart massiv ausgebildet, dass er alternativ als Stromschiene bezeichnet werden kann. Auch ein die zweite Leiterstruktur 4 bildender zweiter Stromleiter 8b ist bevorzugt derart massiv ausgebildet, dass er alternativ als Stromschiene bezeichnet werden kann. Ferner sind auch die Kondensatorenanordnung 14 und die Bestandteile 29 der Leistungshalbleitereinrichtung 6 direkt auf der Hochstromleiterplatte 9 angeordnet.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Inverter aus drei Einheiten bzw. Baugruppen aufgebaut aufweisend eine erste Einheit umfassend einen EMV-Filter (EMV-Filtereinrichtung 13) und einen DC-Link Kondensator (Kondensatorenanordnung 14) als eine Einheit auf der DC-Seite; eine zweite Einheit aufweisend Leistungsmodule (Leistungshalbleitereinrichtung 6); und eine dritte Einheit umfassend ein Busbar mit Stromsensor 12 und Ausgangsfilter (Ausgangsfiltereinrichtung 15) auf der AC-Seite.
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Eine Leiterstruktur 2, 4 ist auf Basis einer laminierten Busbar (Sammelschiene 7a, 7b) oder auf Basis einer Hochstromleiterplatte 9 ausgeführt. Der Aufbau des Zwischenkreiskondensators (Kondensatorenanordnung 14) besteht aus diskreten Bauelementen / Kondensatoren. Zudem erfolgt eine Integration des DC-Stromsensors (erster Stromsensor 11) in die laminierte Busbar. Damit ist Busbar des DC-Stromsensors Bestandteil der laminierten Busbar. Stromsensorelektronik (erster Stromsensor 11 und/oder zweiter Stromsensor 12) wird auf eine Kupferschicht der laminierten Busbar aufgebraucht (z.B. durch eine Klebeverbindung). Auch erfolgt eine Integration des Stromsensorgehäuses (erstes Sensorgehäuse 21 und/oder zweites Sensorgehäuse 23) in den Inverter-Gehäuseboden (Gehäuse 22). Auch werden die magnetischen Kerne 19, 24 (als Bestandteil des EMV-Filters bzw. Ausgangsfilters) in den Inverter-Gehäuseboden integriert. Zudem erfolgt eine Integration der AC-Stromsensoren (zweiter Stromsensor 12) in die laminierte Busbar auf der AC-Seite. Eine thermische Anbindung an das Inverter-Gehäuse bzw. Kühlungskanälen erfolgt über thermische Interface-Materialien (z.B. „Gappad“) oder durch ein Vergussmaterial (teilvergießen), die gegenständlich als Schicht 10 allgemein bezeichnet sind.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 2 erfolgt eine weitere Ausführungsvariante mit „Chip-Embedding“ Technologie. Dabei sind die Leistungsschalter/ Halbleiter der Leistungshalbleitereinrichtung 6 in einer Platine 28 (PCB) integriert. EMV-Filter und DC-Link Kondensator als eine Einheit auf der DC-Seite sind über (erste) Hochstromkontakte 16 mit dem Leistungshalbleitermodul (Leistungshalbleitereinrichtung 6) verbunden. AC-Stromsensoren sind in der laminierten Busbar integriert und ebenfalls über (zweite) Hochstromkontakte 17 mit dem Leistungshalbleitermodul verbunden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 erfolgt eine weitere Ausführung als Hochstromleiterplatte 9 mit „Chip-Embedding“ Technologie. Dabei ist die Hochstromleiterplatte 9 mit integrierten Stromschienen (Busbar; Stromleiter 8a, 8b) und integriertem Leistungshalbleiter (Bestandteile 29) ausgebildet. Eine Integration einer Gatetreiber-Logik (Gatetreiber IC) auf der Hochstromleiterplatte 9 ist optional. Die magnetischen Kerne 19, 24 für den EMV-Filter oder den Ausgangsfilter werden durch die Hochstromleiterplatte 9 geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Invertervorrichtung
- 2
- erste Leiterstruktur
- 3
- DC-Eingangseinheit
- 4
- zweite Leiterstruktur
- 5
- AC-Ausgangseinheit
- 6
- Leistungshalbleitereinrichtung
- 7a
- erste Sammelschiene
- 7b
- zweite Sammelschiene
- 8a
- erster Stromleiter
- 8b
- zweiter Stromleiter
- 9
- Hochstromleiterplatte
- 10
- Schicht
- 11
- erster Stromsensor
- 12
- zweiter Stromsensor
- 13
- EMV-Filtereinrichtung
- 14
- Kondensatorenanordnung
- 15
- Ausgangsfiltereinrichtung
- 16
- erster Hochstromkontakt
- 17
- zweiter Hochstromkontakt
- 18
- Lage
- 19
- erster Kern
- 20
- erster Kondensator
- 21
- erstes Sensorgehäuse
- 22
- Gehäuse
- 23
- zweites Sensorgehäuse
- 24
- zweiter Kern
- 25
- zweiter Kondensator
- 26
- Kühlplatte
- 27
- Kühlkanal
- 28
- Platine
- 29
- elektronischer Bestandteil
- 30
- Gatetreiber-IC
- 31
- Dichtung
